陳盛貴 ，李開(kāi)武 ，王立超，葉澤榮 ，盛燕林

（1. 東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 廣東東莞 523808；2. 東莞皓翼三維科技有限公司， 廣東東莞 523808；3. 東莞市東莞理工科技創(chuàng)新研究院， 廣東東莞 523808；4. 東莞口腔醫(yī)院口腔種植科， 廣東東莞 523083；5. 東莞洋紫荊牙科器材有限公司， 廣東東莞 523808）

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing， CAM）在牙科領(lǐng)域逐漸得到普及[1]，這些工具在用于制造個(gè)性化齒科產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢(shì)，并逐步替代傳統(tǒng)手工制作工藝。計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制（Computerized Numerical Control， CNC）是目前主流的CAM技術(shù)，該技術(shù)通常采用銑削工藝從塊體上切除多余的材料以獲得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，因此該技術(shù)也被稱為減材制造技術(shù)。增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），也稱為3D 打印，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制來(lái)逐層疊加材料以構(gòu)建實(shí)體三維模型[2]。目前AM已在多個(gè)領(lǐng)域中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，可以生產(chǎn)各種類型的材料（金屬，聚合物，陶瓷及復(fù)合材料）[3]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，AM的關(guān)注點(diǎn)已從原型制造轉(zhuǎn)移到最終用途產(chǎn)品快速制造的過(guò)程。在牙科領(lǐng)域，使用AM生產(chǎn)的牙科產(chǎn)品有望帶來(lái)優(yōu)于傳統(tǒng)制造方法的優(yōu)勢(shì)。AM特別適合生產(chǎn)具有復(fù)雜細(xì)節(jié)（例如不規(guī)則的凹槽、縫隙、凹谷）的定制的牙齒產(chǎn)品，形狀復(fù)雜程度的提高并不會(huì)增加成本[4]。傳統(tǒng)的CNC技術(shù)涉及多個(gè)耗時(shí)的步驟，而AM 僅需3D 掃描加上軟件設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)快速的直接生產(chǎn)，減少了牙科產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間。由于制造步驟的減少，在AM中需要進(jìn)行人為干預(yù)過(guò)程也變少，從而能降低產(chǎn)品的誤差率。AM還消除了對(duì)傳統(tǒng)制造工具（例如切削刀頭）的使用，減少了材料和能源的浪費(fèi)。

近期由于主要的3D 打印專利到期，使3D 打印機(jī)變得更容易生產(chǎn)銷售，AM技術(shù)在齒科應(yīng)用的普及將導(dǎo)致設(shè)備成本進(jìn)一步降低[5]。因此，采用AM技術(shù)生產(chǎn)齒科產(chǎn)品的普及以及價(jià)格下降是必然的趨勢(shì)。AM技術(shù)在牙科領(lǐng)域有多種應(yīng)用，如牙冠牙橋、假牙、模型、手術(shù)導(dǎo)板、植入物和正畸產(chǎn)品等[6]。聚合物是目前齒科打印研究和使用最多的材料[7]，其次是金屬，陶瓷齒科材料的增材制造仍處于欠發(fā)達(dá)狀態(tài)，因?yàn)樘沾纱蛴‰y以生產(chǎn)具有光潔表面，高強(qiáng)度的機(jī)械性能以及較高尺寸精度的產(chǎn)品。現(xiàn)有的有關(guān)陶瓷材料AM的文獻(xiàn)僅占已發(fā)表的AM相關(guān)工作的不到5%，而齒科AM 陶瓷材料的研究更少。因此，為了更好地研究陶瓷打印技術(shù)在齒科領(lǐng)域的應(yīng)用，綜合介紹了有關(guān)齒科陶瓷材料增材制造近10年的最新進(jìn)展。

1 齒科陶瓷材料

陶瓷材料廣泛用于牙科領(lǐng)域（例如牙冠牙橋、植入物、貼面嵌體等）。這些材料具有一些與自然牙相似的特性，例如抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱率、抗輻射性、顏色穩(wěn)定性、美觀性等[8]。但是陶瓷材料易碎且堅(jiān)硬，有時(shí)特殊結(jié)構(gòu)難以加工[9]。因此人們一直在研究全瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)，并改良材料構(gòu)成及加工工藝以提高齒科陶瓷產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度、貼合度，使其適應(yīng)齒科的使用需求。根據(jù)其組成成分，目前用于制作齒科修復(fù)體的陶瓷材料主要分為以下幾類[10]：氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷、二硅酸鋰玻璃陶瓷以及復(fù)合陶瓷材料。

1.1 氧化鋯陶瓷材料

早在20世紀(jì)90年代初期，氧化鋯（ZrO2）陶瓷就已經(jīng)被用作齒科修復(fù)手術(shù)中的骨內(nèi)植入物。如今，其在齒科領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，例如：植入體、正畸托槽、基臺(tái)和冠橋等。氧化鋯材料具有出色的力學(xué)強(qiáng)度，并且在預(yù)燒結(jié)階段易于進(jìn)行CAD/CAM[7]加工。據(jù)報(bào)道，氧化鋯生物相容性較好且具有骨傳導(dǎo)性，這意味著這種材料會(huì)促進(jìn)骨組織的形成[11]，而且氧化鋯不會(huì)產(chǎn)生過(guò)敏反應(yīng)或影響味覺(jué)。在機(jī)械性能方面，氧化鋯陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性和耐腐蝕性，彈性模量接近鋼，熱膨脹系數(shù)接近鐵，其斷裂韌性在常用的齒科陶瓷材料中是最高的[12]。

氧化鋯晶體一般有幾種不同形態(tài)：?jiǎn)涡毕?、四方相、立方相，可以通過(guò)添加一定量的摻雜劑（氧化釔、氧化鎂、氧化鈰等）在熱處理燒結(jié)后在室溫下穩(wěn)定在四方相[13]。氧化鋯四方相向單斜相轉(zhuǎn)變時(shí)，常伴隨著約4.5%的體積增長(zhǎng)[14]，可以有效阻止裂縫的產(chǎn)生，韌性得到提高，因此其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。齒科應(yīng)用的氧化鋯通常用3 mol的氧化釔穩(wěn)定，其撓曲強(qiáng)度一般可達(dá)到900 MPa以上[15]。

然而，氧化鋯陶瓷也存在一些不足。例如，其透明性較低導(dǎo)致美學(xué)效果不佳；在口腔的潮濕環(huán)境中會(huì)加速老化，導(dǎo)致表面粗糙度提高并引發(fā)裂紋，長(zhǎng)期佩戴使用性能會(huì)下降。

1.2 氧化鋁陶瓷材料

氧化鋁（Al2O3）于1970年代首次引入齒科領(lǐng)域。但是，最初的氧化鋁有較高的孔隙率[16]，斷裂率高達(dá)13%[17]。隨著技術(shù)的發(fā)展，后面出現(xiàn)了第二代改進(jìn)的氧化鋁陶瓷，其特征是具有更高的密度以及更小的晶粒，斷裂率降低到小于5%。如今，第三代氧化鋁陶瓷已經(jīng)問(wèn)世，其具有更高純度、更高密度以及更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)[16]。

氧化鋁撓曲強(qiáng)度可達(dá)500 MPa，雖然強(qiáng)度不及氧化鋯，但氧化鋁具有比氧化鋯更好的通透性，美學(xué)效果更佳，在齒科領(lǐng)域中可用于制造牙髓樁、正畸托槽、植入物、牙冠牙橋以及基臺(tái)等產(chǎn)品[18]。根據(jù)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的規(guī)定，只有高純度的氧化鋁才能用于醫(yī)療領(lǐng)域，可形成玻璃晶界相的雜質(zhì)（例如二氧化硅，金屬硅酸鹽和堿金屬氧化物）必須低于0.1 wt%[19]，因?yàn)榇祟愲s質(zhì)降解會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中部位，在該部位會(huì)出現(xiàn)裂紋。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)選擇合適的燒結(jié)參數(shù)（溫度，時(shí)間，加熱/冷卻速率）并摻雜添加劑（例如氧化鎂、氧化鋯和氧化鉻）能夠控制氧化鋁晶粒尺寸和孔隙率，可以有效提高氧化鋁的韌性和斷裂強(qiáng)度[20]。

1.3 二硅酸鋰玻璃陶瓷材料

二硅酸鋰（Li2Si2O5）玻璃陶瓷具有嵌入玻璃基質(zhì)中的互鎖的棒狀晶體構(gòu)成的微觀結(jié)構(gòu)，晶體與玻璃相能夠形成良好的熱性能及光性能匹配。因此該陶瓷材料在具備較高機(jī)械性能（撓曲強(qiáng)度可達(dá)200～400 MPa）的同時(shí)，還具有優(yōu)異的半透光特性（透光性接近天然牙）[21]，力學(xué)性能與美學(xué)效果達(dá)到極佳的平衡。由于其出色的美學(xué)效果，二硅酸鋰玻璃陶瓷更多用于制造前牙修復(fù)體，包括牙冠牙橋及貼面等產(chǎn)品。

1.4 復(fù)合陶瓷材料

復(fù)合材料定義為兩種或更多種材料的組合，最終的組合呈現(xiàn)出獨(dú)特的特性。在齒科領(lǐng)域，陶瓷復(fù)合材料可包含諸如陶瓷-金屬，陶瓷-聚合物或陶瓷-陶瓷的組合，這些材料同時(shí)具備了各組分的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)了單一材料產(chǎn)品的缺陷。當(dāng)前的齒科陶瓷-陶瓷復(fù)合材料的實(shí)例主要有氧化鋁-氧化鋯復(fù)合材料，包括氧化鋁增韌的氧化鋯（Alumina-Toughened Zirco?nia，ATZ）或氧化鋯增韌的氧化鋁（Zirconia-Toughened Alu?mina，ZTA），具體取決于主要成分的含量，這些復(fù)合材料結(jié)合了氧化鋯的增韌能力以及氧化鋁在低溫生物流體中降解的低敏感特性[22]。

最近，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，生物納米復(fù)合材料已經(jīng)出現(xiàn)。這些材料有望模仿天然組織結(jié)構(gòu)，能夠承受高咬力和惡劣的口腔環(huán)境，例如：溫度或滲透壓的突然變化以及各種病原體的入侵[23]。生物納米復(fù)合材料在牙科領(lǐng)域的可能應(yīng)用還包括牙齒組織再生（牙周膜或牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合物）或更換（牙釉質(zhì)）。

2 陶瓷增材制造技術(shù)

與其他材料相比，陶瓷具有較高的熔點(diǎn)以及較低的燒結(jié)性，因此直接燒結(jié)打印的AM工藝很難制備沒(méi)有缺陷的燒結(jié)零件。在大多數(shù)情況下，AM工藝用于初步胚體結(jié)構(gòu)的成型，胚體由有機(jī)粘合劑或樹(shù)脂與陶瓷粉末材料組成，且需要通過(guò)進(jìn)一步的脫脂步驟來(lái)消除有機(jī)粘合劑和燒結(jié)步驟來(lái)使零件致密化。這種打印后需要脫脂處理的工藝與直接燒結(jié)陶瓷粉末的直接成型法相對(duì)，一些學(xué)者也將這種方法稱之為間接成型法。

在接下來(lái)的部分中將介紹目前可用于陶瓷打印的主要技術(shù)：間接方法（粘結(jié)劑噴射、材料擠壓噴射和聚合物光固化技術(shù)）與直接成型法（粉末床熔合技術(shù)）。

2.1 粘結(jié)劑噴射技術(shù)

粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting，BJ）通常使用兩種材料，包括粉末材料和粘結(jié)劑材料。粘結(jié)劑通常是有機(jī)液體，用于粘結(jié)固定陶瓷粉末顆粒。打印頭沿機(jī)器的X、Y方向水平移動(dòng)，并噴射出粘結(jié)劑粘結(jié)切片區(qū)域的粉末，打印頭噴射結(jié)束后，構(gòu)建平臺(tái)下降，然后料輥鋪平一層薄薄粉末，該過(guò)程循環(huán)直至打印完成。

BJ 的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)材料的限制較小，能夠使用多種粉末材料（金屬、聚合物和陶瓷）以及粘結(jié)劑進(jìn)行組合，而且打印的速度也比較快。該技術(shù)的缺點(diǎn)主要是打印件有較高孔隙率，從而導(dǎo)致較低的機(jī)械性能。這是由于粉末顆粒之間有較高摩擦力，在鋪料時(shí)易引發(fā)團(tuán)聚，而且沒(méi)有外力作用來(lái)壓縮粉末。粉末的流動(dòng)性和鋪展性對(duì)于BJ尤為重要，使用大粒徑的粉末可以增強(qiáng)流動(dòng)性，但會(huì)對(duì)燒結(jié)致密化行為產(chǎn)生影響，而細(xì)粒徑的顆粒尺寸可能導(dǎo)致大量的團(tuán)聚并降低流動(dòng)性[24]。該工藝制作的樣件燒結(jié)后，致密度很難做到高于50%，因此該工藝不適用于結(jié)構(gòu)零件。為了減少孔隙率，可以在真空下將熔融的玻璃材料通過(guò)毛細(xì)作用滲透到孔隙中[25]。

2.2 材料擠壓噴射技術(shù)

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是AM技術(shù)中最廣泛使用的工藝。該工藝通過(guò)將陶瓷預(yù)制線材加熱至熔融態(tài)并用噴嘴擠出，擠出后材料冷卻凝固成型，噴嘴可以在xy 平面移動(dòng)完成每一層切面的成型，然后打印平臺(tái)下沉并重復(fù)堆疊每一層。但是，F(xiàn)DM 存在一些不足，例如速度較慢，精度受到噴嘴半徑的影響，而且產(chǎn)品表面紋路比較明顯。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須控制擠出速度和溫度等因素，并確保恒定的壓力和流量。

材料噴射成型（Material Jetting，MJ）是AM 中另一種材料擠壓沉積成型的方式，其中材料以液滴而不是長(zhǎng)絲的形式擠壓噴射沉積，沉積后立即使用紫外光輻照聚合成型。該工藝需要黏度較低的陶瓷懸浮液作為原料，以防堵塞噴頭。圖1 所示為使用陶瓷懸浮液通過(guò)該技術(shù)制成的牙冠的咬合面的示例，可以明顯觀察到逐層沉積產(chǎn)生的表面波紋[26]。

圖1 MJ工藝打印氧化鋯磨牙牙冠

材料擠壓技術(shù)還包括墨水直寫(xiě)技術(shù)（Direct Ink Writing，DIW）。在該成型過(guò)程中，細(xì)絲通過(guò)噴嘴擠出，同時(shí)在平臺(tái)上移動(dòng)，逐層構(gòu)建對(duì)象。該材料是具有剪切變稀性質(zhì)的半固態(tài)材料，擠壓時(shí)具有流動(dòng)性，并且可在pH值、光照、熱輻射等固化因素作用下實(shí)現(xiàn)固化。

冷凍成形擠壓制造（Freeze-Form Extrusion Fabrication，F(xiàn)EF）是另一種基于擠壓方法的AM技術(shù)。與大多數(shù)其他擠壓自由成型制造方法不同，在FEF中，有機(jī)粘合劑含量?jī)H為2 vol%～4 vol%，陶瓷膏料的固體含量可高于50 vol%[27]。在FEF 打印過(guò)程中，通過(guò)保持打印平臺(tái)周圍環(huán)境低于水的凍結(jié)溫度來(lái)使打印樣件每一層凝固成型。與DIW 工藝相比，F(xiàn)EF 工藝能夠生產(chǎn)相對(duì)較大的零件。

在擠壓噴射工藝中，通過(guò)控制材料的顆粒取向可以提高材料的力學(xué)性能。通過(guò)將少量各向異性形狀的大顆粒與細(xì)顆?；旌?，在擠壓過(guò)程中，各向異性粒子沿剪切方向排列。在隨后的燒結(jié)步驟中，取向排列的顆粒吸收細(xì)小顆粒生長(zhǎng)，可形成高度致密的陶瓷[28]。

2.3 光固化技術(shù)

立體光刻打印技術(shù)（Stereolithography， SLA）由Chuck Hull于1986年發(fā)明，是AM技術(shù)的先驅(qū)。SLA還是第一個(gè)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的AM 技術(shù)，1994年就已被用于生產(chǎn)異體植入手術(shù)的手術(shù)模型。在SLA打印過(guò)程中，特定波段的光（200～500 nm波長(zhǎng)激光或LED 光）照射樹(shù)脂槽中光敏樹(shù)脂和陶瓷粉末的混合漿料以固化指定區(qū)域，然后打印平臺(tái)在Z軸方向移動(dòng)，并填充下一層漿料，重復(fù)固化過(guò)程直至打印完成[29]。

這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)樣件的快速成型，可以制作具有高精度和高光潔度的復(fù)雜形狀。固化深度是決定成型性能的關(guān)鍵參數(shù)。圖2 所示為通過(guò)該方法打印的氧化鋯植入物。與傳統(tǒng)的基于聚合物的SLA 相比，陶瓷顆粒的散射效益會(huì)影響固化的線寬和固化深度。另外，由于常規(guī)的SLA 設(shè)備使用黏度低于5 Pa·s 的樹(shù)脂，因此必須調(diào)整陶瓷粉末的粒徑和體積分?jǐn)?shù)，以同時(shí)滿足可成型性和可燒結(jié)性的要求。為了獲得高致密度的陶瓷，必須具有較小的顆粒尺寸（亞微米級(jí)）和較高固含量[30]。

圖2 SLA工藝打印氧化鋯種植體

SLA 工藝打印的樣件具有出色的表面光潔度和精細(xì)度，但其成本相對(duì)昂貴。打印完成生胚中樹(shù)脂的脫脂去除需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間，根據(jù)材料特性匹配合適的熱處理工藝可以完全去除有機(jī)樹(shù)脂并燒結(jié)致密材料，最終致密度可達(dá)99%以上。

2.4 粉末床熔合技術(shù)

基于粉末的AM 技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（Selective La?ser Sintering，SLS）、直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）和電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）[31]。這些技術(shù)都使用熱量來(lái)熔化粉末狀材料，差異取決于能源和粉末材料，SLS、DMLS和SLM都使用激光，而EBM使用電子束作為能源。

SLS 和DMLS 對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)成型，粉末沒(méi)有完全熔化，會(huì)導(dǎo)致多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和粗糙的表面。而SLM和EBM對(duì)材料進(jìn)行熔化成型，粉末能很好地融合，形成具有更強(qiáng)的機(jī)械性能和更高密度的零件[32]。圖3 所示為通過(guò)該工藝制備的氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷齒科樣件[33]。

圖3 SLM工藝打印氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷牙冠

基于粉末床熔合技術(shù)的制造時(shí)間比其他AM技術(shù)的制造時(shí)間短，這是因?yàn)檫@些技術(shù)不涉及使用粘合劑或者樹(shù)脂制備中間生坯，避免了長(zhǎng)時(shí)間的脫脂過(guò)程。但是，由于較高的加熱和冷卻速率，陶瓷材料可能會(huì)產(chǎn)生熱沖擊從而破裂，一般需要通過(guò)預(yù)熱粉末來(lái)避免這種情況[34]。

3 齒科陶瓷產(chǎn)品增材制造案例

CAD / CAM 銑削減法制造工藝目前被認(rèn)為是制造全瓷修復(fù)體的最新技術(shù)。但是，此技術(shù)還存在一些局限性，包括材料浪費(fèi)，微裂紋的引入以及有限的表面細(xì)節(jié)表現(xiàn)。隨著技術(shù)進(jìn)步，齒科修復(fù)體AM工藝不斷發(fā)展成熟，現(xiàn)已成功制造樹(shù)脂和金屬假體。AM技術(shù)可以克服銑削工藝的限制，制備具有復(fù)雜的幾何形狀和多材料漸變的齒科修復(fù)體，而種類型修復(fù)體通常無(wú)法用常規(guī)的加工技術(shù)來(lái)制造。AM技術(shù)制備齒科修復(fù)體還具有許多優(yōu)勢(shì)，比如批量生產(chǎn)、減少材料浪費(fèi)、減少制造時(shí)間等。

Ebert等[26]通過(guò)采用材料噴射技術(shù)MJ，使用27 vol%固含量的氧化鋯陶瓷懸浮液，打印了具有獨(dú)特的咬合表面形貌的氧化鋯牙冠（圖1）。但打印燒結(jié)后的樣品有一些缺陷，這可能是由于打印過(guò)程中噴嘴堵塞所致。后期通過(guò)冷等靜壓法獲得相對(duì)密度為96.9%的樣品，其機(jī)械性能與銑削生產(chǎn)的氧化鋯相當(dāng)。

Osman 等[35]使用SLA 工藝打印了定制的氧化鋯牙科植入物（圖2）。該研究評(píng)估了尺寸精度，表面形貌和機(jī)械性能等方面。根據(jù)文獻(xiàn)的報(bào)告，打印植入物的尺寸均方根誤差約0.1 mm，并且抗彎強(qiáng)度高達(dá)943 MPa，接近于銑削生產(chǎn)的陶瓷（900～1000 MPa）。Weina Wang等[36]則對(duì)比了傳統(tǒng)銑削工藝和SLA 工藝制備氧化鋯全瓷牙冠內(nèi)外表面及邊緣的精度誤差（圖4），發(fā)現(xiàn)其均方根值在30～50 μm 左右，表明SLA 工藝制備的全瓷冠能夠密合基牙邊緣，并顯著優(yōu)于傳統(tǒng)切削成型工藝（P＜0.05）。

圖4 SLA 工藝打印氧化鋯牙冠三維精度分析

Dehurtevent 等[37]研究對(duì)比了采用SLA 工藝打印不同固含量、粒度和黏度的陶瓷漿料與銑削制造的陶瓷氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能（圖5）。結(jié)果顯示，氧化鋁漿料固含量越高機(jī)械性能越強(qiáng)。選用粒度D50為1.58 μm粉末制備得到的漿料，固含量達(dá)到80 wt%時(shí)撓曲強(qiáng)度達(dá)到367.9±52.4 MPa，與傳統(tǒng)銑削工藝的氧化鋁相當(dāng)（350.4±49.5 MPa），但收縮率的各向異性導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)的變形。

圖5 SLA工藝打印氧化鋁牙冠

Jan 等[33]使用SLM 工藝通過(guò)直接燒結(jié)打印陶瓷樣件。以41.5 wt%氧化鋯和58.5 wt%氧化鋁為原料制備了具有良好機(jī)械性能，致密度接近100%的陶瓷牙冠（圖3）。打印后無(wú)需燒結(jié)后處理的工藝，制作效率較高，撓曲強(qiáng)度達(dá)到173.8～538.1 MPa。但是該工藝還存在著一些不足，例如加工時(shí)較大的溫差引發(fā)的內(nèi)應(yīng)力，以及較為粗糙的表面。

4 齒科陶瓷增材制造面臨的問(wèn)題

增材制造技術(shù)在定制醫(yī)療產(chǎn)品的生產(chǎn)中具有優(yōu)勢(shì)，可以改善人口健康和生活質(zhì)量，是一項(xiàng)有著光明前景的技術(shù)。但是，該技術(shù)的固有缺陷仍不容忽視，需要對(duì)表面質(zhì)量、尺寸精度和機(jī)械性能等方面進(jìn)行改進(jìn)，才能制造出有價(jià)值的高質(zhì)量產(chǎn)品。

表面質(zhì)量取決于采用的工藝、加工條件和原材料特性[38]。采用粉末床打印工藝的產(chǎn)品表面質(zhì)量均低于其他增材制造技術(shù)，這是因?yàn)榇蛴〖砻娲嬖诖罅课赐耆刍蛘邎F(tuán)聚的粉末顆粒；擠出打印工藝由于噴嘴的直徑較大，通常需要較高的層厚（約0.2 mm）；光固化打印采用漿態(tài)材料，能夠精確聚焦能量束半徑，可用較小的層厚（約0.1～0.05 mm）打??；噴射打印技術(shù)通過(guò)噴射液滴成型，因此能以非常精細(xì)的層厚打?。s0.02 mm）。

尺寸精度在生產(chǎn)齒科產(chǎn)品中至關(guān)重要，產(chǎn)品必須貼合患者修復(fù)部位，否則容易在術(shù)后引發(fā)各種癥狀。與X和Y方向相比，Z方向的精度較差并且難以控制。影響尺寸精度的因素較多，其受各種工藝參數(shù)影響，例如層間材料的鋪料致密程度、固化過(guò)程中零件翹曲以及脫脂燒結(jié)過(guò)程收縮引發(fā)的形變。

缺陷的存在會(huì)明顯影響機(jī)械性能。缺陷與打印工藝、后處理工藝有較大關(guān)系。鋪料過(guò)程中由于粉體團(tuán)聚或者料漿產(chǎn)生氣孔等因素引入缺陷；不合適的脫脂工藝會(huì)使得有機(jī)組分過(guò)快分解揮發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙較多。有研究提出了減少孔隙率的解決方案，例如選擇具有適當(dāng)粒度分布的陶瓷粉末、用玻璃質(zhì)材料滲透燒結(jié)體、或者對(duì)生坯施加冷/熱等靜壓[39]。

在上述的大多數(shù)成功應(yīng)用中，陶瓷材料都是由聚合物與陶瓷顆粒的混合物組成的，打印出胚體后還需要額外的脫脂燒結(jié)步驟。為了保證脫脂過(guò)程中產(chǎn)品的穩(wěn)定，一般要在較為溫和的條件下進(jìn)行（在氮?dú)獾榷栊詺怏w中脫除），而且升溫過(guò)程要平緩，這無(wú)疑增加了產(chǎn)品制造的時(shí)間和成本。為了獲得較高的致密度和機(jī)械強(qiáng)度，打印材料還應(yīng)有較高的固含量，但是固含量的超過(guò)一定范圍會(huì)顯著提高粘度而導(dǎo)致無(wú)法打印成型。如何在不損壞產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上縮短脫脂的時(shí)長(zhǎng)，并保證在可打印性上提高材料性能，是間接法陶瓷打印的需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

陶瓷材料具有很高的耐化學(xué)和機(jī)械性能，以及美觀的特性，因此成為替換受損牙齒組織的最佳材料選擇。目前用于生產(chǎn)陶瓷牙科件的常規(guī)制造方法通?；跍p法技術(shù)。該工藝會(huì)導(dǎo)致大量的材料浪費(fèi)和工具損耗，并且在具有復(fù)雜幾何形狀的零件的生產(chǎn)中存在局限性。對(duì)量身定制的齒科產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求，使齒科成為AM技術(shù)快速擴(kuò)展的細(xì)分市場(chǎng)之一。然而，由于AM目前產(chǎn)品的機(jī)械性能、精度、密度、表面光潔度和美學(xué)性等綜合性能還不夠完善，在商業(yè)化應(yīng)用上受到限制。盡管齒科行業(yè)具有巨大潛力，但AM在陶瓷牙科材料中的應(yīng)用仍在研究中。陶瓷AM技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有望降低生產(chǎn)成本、改善制造材料的性能以及使生產(chǎn)過(guò)程更有效率，為大規(guī)模生產(chǎn)定制齒科產(chǎn)品提供了可能性。然而，沒(méi)有任何一項(xiàng)技術(shù)能夠單獨(dú)滿足所有產(chǎn)品的要求，當(dāng)制備更為復(fù)雜的齒科陶瓷產(chǎn)品時(shí)，可以通過(guò)梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多材料打印的增材制造方式，甚至還能將AM技術(shù)與傳統(tǒng)的銑削方法和表面處理方法相結(jié)合，制備傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。